CN106772349A

CN106772349A - 一种测距、测速、测向、成像方法及系统

Info

Publication number: CN106772349A
Application number: CN201710004860.6A
Authority: CN
Inventors: 唐海军; 刘畅
Original assignee: CHENGDU GLOBAL-WAY COMMUNICATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: CHENGDU GLOBAL-WAY COMMUNICATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2017-01-04
Filing date: 2017-01-04
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2037-01-04
Also published as: CN106772349B

Abstract

本发明是关于一种测距方法及系统，产生射频信号和本振信号后，发射射频信号，将接收到的间隔回波信号和本振信号进行混频，输出间隔中频信号，间隔中频信号转换为间隔数字信号，对间隔数字信号进行处理，获得处理后的间隔数字信号的幅度和观测相位，当处理后的间隔数字信号的幅度超过门限值，间隔回波信号为目标间隔回波信号，对接收到的目标间隔回波信号的个数进行计数，根据处理后的间隔数字信号的观测相位和目标间隔回波信号的个数计算获得目标距离。本发明提供的测距方法改进了相位测距方法，简化了运算，避免解算相位模糊度，提高了硬件可行性，同时在波长足够短的条件下距离测量误差较小，可以达到亚毫米级测距精度。

Description

一种测距、测速、测向、成像方法及系统

技术领域

本发明涉及测距技术领域，尤其涉及一种测距、测速、测向、成像方法及系统，尤其是基于雷达的测距、测速、测向、成像方法及系统。

背景技术

现有测距方法利用了电磁波沿直线传播，折射和光速不变的特性，电磁波发射位置与目标物的空间距离，具有长距离，大范围，全天候，高精度等多种优点，并且电磁波传播不需要介质，在太空中仍能使用。电磁波测距技术现已广泛应用在目标跟踪，精确制导，地形测绘，导航，交通管制等领域，具有多目标跟踪，动目标显示等特点。

现有的电磁波测距方法一般有以下几种：

一、时延测距法：检测发射信号与目标回波信号的时延Δt确定距离，计算公式为其中R表示目标与电磁波发射位置的距离即目标距离，c表示电磁波传播速度，Δt表示时延时间。

二、相位测距法：根据相位与距离的关系，电磁波中真实相位ψ与目标距离R的关系为其中λ表示电磁波波长；当目标距离大于电磁波波长时，测量到的观测相位是一个在主值区间内的值，即观测相位与真实相位ψ的关系是其中n是相位模糊度，表示往返波程中包含完整波长的数量，由此可得到用相位计算距离的公式为

但是，第一种时延测距法因时延时间Δt不易精确测量，导致测距精度较低，不能准确定位距离；第二种相位测距法虽然测距精度较高，但相位模糊度n需要通过多信号重复频率解模糊得到，精确获得相位模糊度n较为困难，因此为了克服相位模糊的影响，一般使用步进频或跳频技术，硬件实现难度大为增加。步进频受步进幅度和脉宽的限制，不能完全避免模糊问题，而跳频或其他波形设计方案对设计要求，成本的需求都成倍提高。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明提供一种测距、测速、测向、成像方法及系统，其可以有效的提高硬件可行性，简化运算，降低数据率，并且测距精度即测量误差仍然可以精确到亚毫米的级别。

本申请提供的第一方面的技术方案是，一种测距方法，所述方法包括：

产生射频信号和本振信号，并发射所述射频信号；

射频信号发射后每隔一定的间隔时间Δt接收若干次的间隔回波信号，并将所述本振信号与间隔回波信号进行混频，输出间隔中频信号；在间隔时间Δt内射频信号所走的距离是距离门宽度ΔR；

将所述间隔中频信号转换为间隔数字信号，对所述间隔数字信号进行处理，获得处理后的间隔数字信号的幅度和观测相位

判断处理后的间隔数字信号的幅度是否超过门限值，若超过则判定接收到的间隔回波信号为目标间隔回波信号，对接收到的所述目标间隔回波信号的个数进行计数，记为距离门个数n_R；

以获得的观测相位距离门宽度ΔR和距离门个数n_R计算得到目标距离R。

优选的，所述射频信号是离散波信号或连续波信号。

优选的，所述射频信号是脉冲信号。

优选的，所述距离门宽度ΔR与射频信号的波长λ成线性关系，即ΔR＝kλ。

优选的，所述k是大于或等于1的自然数。

优选的，发射射频信号的中止或终止时间为接收到首次目标间隔回波信号的时间，即获得的观测相位距离门宽度ΔR和距离门个数n_R后，根据公式计算得到目标距离R；λ是射频信号的波长。

优选的，前述测距方法中，所述产生射频信号和本振信号，具体包括：

产生电磁波信号，对所述电磁波信号进行滤波和功率放大，得到射频信号；

对所述射频信号进行耦合处理，得到本振信号。

优选的，前述测距方法中，对所述间隔数字信号进行处理，包括对所述间隔数字信号进行FFT处理，即快速傅里叶变换处理。

优选的，前述测距方法中，将所述本振信号与间隔回波信号进行混频包括:

接收间隔回波信号，对所述间隔回波信号进行低噪声放大和滤波处理，得到混频间隔回波信号；

对所述混频间隔回波信号和本振信号进行混频得到混频信号，对混频信号进行去斜处理，得到间隔中频信号。

优选的，前述测距方法中，所述获得处理后的间隔数字信号的幅度和相位，具体包括：

对所述间隔数字信号进行FFT处理得到频谱信号，得到的频谱信号包括I路和Q路信号；

通过绝对值函数对所述I路和Q路信号求解极大值，获得频谱信号的幅度；

通过反正切函数对所述I路和Q路信号求解角度，获得频谱信号的观测相位

本申请提供的第二方面的技术方案是，一种测速方法，所述测速方法采用前述任一所述的测距方法重复地测量目标距离R，根据观测时间和目标移动的距离r，计算得到目标移动速度v。

本申请提供的第三方面的技术方案是，一种测向方法，所述测向方法是基于前述任一所述的测距方法。

本申请提供的第四方面的技术方案是，一种成像方法，所述成像方法是基于前述任一所述的测距方法。

本申请提供的第五方面的技术方案是，一种基于雷达的测距方法，所述基于雷达的测距方法采用前述任一所述的测距方法，所述射频信号的发射源是雷达。

本申请提供的第六方面的技术方案是，一种基于雷达的测距系统，所述系统包括射频模块、本振模块、发射模块、接收模块、计数模块和处理模块；

射频模块产生射频信号；本振模块对射频信号进行预处理，获得本振信号，发射模块发射所述射频信号；

射频信号发射后接收模块每隔一定的间隔时间Δt接收若干次的间隔回波信号，并将所述本振信号与间隔回波信号进行混频，输出间隔中频信号；在间隔时间Δt内射频信号所走的距离是距离门宽度ΔR；

处理模块将所述间隔中频信号转换为间隔数字信号，对所述间隔数字信号进行处理，获得处理后的间隔数字信号的幅度和观测相位

判断处理后的间隔数字信号的幅度是否超过门限值，若超过则判定接收到的间隔回波信号为目标间隔回波信号，计数模块对接收到的所述目标间隔回波信号的个数进行计数，记为距离门个数n_R；

优选的，所述射频模块包括信号源发生器、第一带通滤波器、功率放大器；所述发射模块包括发射天线；所述接收模块包括接收天线、混频器、低通滤波器；所述处理模块包括A/D转换电路和FPGA处理器，其中：

所述信号源发生器的输出端连接所述第一带通滤波器的输入端；

所述第一带通滤波器的输出端连接所述功率放大器的输入端；

所述第一带通滤波器的输出端与本振模块的输入端连接；

所述功率放大器的输出端连接所述发射天线的输入端；

所述发射天线的输出端通信连接所述接收天线的输入端；

所述接收天线的输出端和所述功率放大器的输出端分别连接所述混频器的输入端；

所述本振模块的输出端与混频器的输入端连接；

所述混频器的输出端与计数模块连接；

所述混频信号的输出端连接所述低通滤波器的输入端；

所述低通滤波器的输出端连接所述A/D转换电路的输入端；

所述A/D转换电路的输出端连接所述FPGA处理器的输入端；

所述FPGA处理器输出中频信号的幅度和观测相位。

优选的，所述信号源发生器包括晶振、鉴相器、环路滤波器、VCO(压控振荡器)和分频器，其中：

所述晶振的输出端连接所述鉴相器的输入端；

所述鉴相器的输出端连接所述环路滤波器的输入端；

所述环路滤波器的输出端连接所述VCO的输入端；

所述VCO的输出端分别连接所述第一带通滤波器和分频器的输入端；

所述分频器的输出端连接所述鉴相器的输入端。

优选的，所述接收模块还包括低噪声放大器和第二带通滤波器，所述接收天线的输出端连接所述低噪声放大器的输入端，所述低噪声放大器的输出端连接所述第二带通滤波器的输入端，所述第二带通滤波器的输出端连接所述混频器的输入端。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请提供的一种测距方法，在产生射频信号和本振信号后，射频信号发射出去后，每隔一定的间隔时间Δt接收所述若干次的间隔回波信号，并将所述本振信号与间隔回波信号进行混频，输出间隔中频信号；在间隔时间Δt内射频信号所走的距离是距离门宽度ΔR；

本申请中，不同于现有测算射频信号在往返目标距离R中包含的完整波长λ的数量即相位模糊度n，本申请采用的方式是计算射频信号在发射后每隔一定的间隔时间Δt接收到的目标间隔回波信号的数量即距离门个数n_R，同时间隔时间Δt内射频信号所走的距离是距离门宽度ΔR，在控制好接收一系列间隔回波信号的时间或发射射频信号的时间和射频信号与目标之间的距离R的关系时，即可明确距离门宽度ΔR与距离门个数n_R的乘积值和波长λ与相位模糊度n的乘积值之间的数据关系，从而再加上观测相位和波长λ，即可计算目标距离R。

例如，在本申请中，可以优选采用发射射频信号的中止或终止时间为接收到首次目标间隔回波信号的时间，即获得的观测相位距离门宽度ΔR和距离门个数n_R后，根据公式计算得到目标距离R；当发射射频信号的中止或终止时间为接收到首次目标间隔回波信号的时间时，意味着发射出去的射频信号在遇到目标物后返回被接收并判定为目标间隔回波信号这段时间内，发射出去的射频信号会走过正好一组往返目标距离R,同样也意味着能够接收到的目标间隔回波信号的数量n_R是往返目标距离R中包含的以间隔时间Δt内射频信号走过的完整距离门宽度ΔR的数量。因此，这种情况下可以采用公式进行计算目标距离R。

另外，前述优选方式中所谓的终止的含义是发射一次射频信号，接收若干个目标间隔回波信号，直至接收到发射出去的射频信号的所有目标间隔回波信号后停止再次发射射频信号；该方式意味着仅一次测量目标的距离，但在现实测距中没有更多的价值。而所谓的中止的含义是发射一次射频信号，接收若干个目标间隔回波信号，直至接收到发射出去的射频信号的所有目标间隔回波信号后再次发射下一次射频信号；该方式不仅可以用于对目标进行测距，在实际测量中，也通常采用此种方式，即发射一次射频信号，接收若干回波信号，再发射一次射频信号，接收若干回波信号，过程重复，可以对目标实现测速、测向、动目标跟踪、成像等多种用途。

本申请中，间隔回波信号和本振信号混频，产生间隔回波信号与本振信号的差频信号，即间隔中频信号，距离多普勒现象产生频差，直接反应了与观测相位相关的相位测距的距离；间隔中频信号经转换为间隔数字信号，之后间隔数字信号经过处理后，获得处理后的间隔数字信号的幅度和观测相位对间隔数字信号的幅度用门限值检测后判定接收到的间隔回波信号是否为目标间隔回波信号，当出现目标间隔回波信号时，对接收到的目标间隔回波信号的个数进行计数，记为距离门个数n_R；根据获得的相位和目标回波信号的个数计算目标距离。本发明提供的测距方法改进了相位测距方法，通过波长与带宽的关系实现了幅相测量的关联，满足相位模糊度是距离门个数的整数倍，避免解算相位模糊度，简化了运算，减小了数据率，提高了硬件可行性；同时在波长足够短的情况下，每弧度或每度对应的距离测量误差较小，可达到亚毫米的测距精度。

另外，现有硬件结构中，距离门宽度ΔR本身是射频信号在一定间隔时间内所走的距离，带宽B是指信号的频带宽度，因此距离门宽度ΔR与带宽B成反比，带宽越大，距离门宽度在同等信号频率，同等间隔时间下所走的实际距离越小。本申请可以采用控制带宽B的数值来达到调整距离门宽度ΔR的数值，控制带宽B的数值可以令距离门宽度ΔR与射频信号的波长λ成线性关系，即ΔR＝kλ，优选k是大于或等于1的自然数。通过对带宽B的数值控制，从而达到对距离门宽度的数值控制，从而避免现有测距方法中时延难以精确测量，同时在精确解相位模糊度n的过程中数据率较多的问题。例如在后续的实施例说明中，本申请方法中设载波频率8.0GHz，波长37.5mm，带宽4.0GHz，距离门宽度37.5mm，每弧度对应距离为5.97mm，每度对应距离为0.104mm。

另外，本申请中所采用的电磁波信号、射频信号或本振信号可以优选采用离散波信号或连续波信号，其中离散波信号可以优选采用脉冲信号，例如线性调频信号，即LFM信号。

本申请中所述带宽是指信号的频带宽度。

本申请中所述幅度可以是指信号波的振幅，即一个波的最高点至最低点的距离，也可以是指其他用于衡量接收到的间隔回波信号是否是射频信号的回波信号(即目标间隔回波信号)的波谱指标，例如波的最高点的频率或其他参考波谱指标。对于门限值，可以参考现有本领域中所采用的对射频信号的幅度做出相应调整的限定值，用于以具体数值来判断间隔回波信号是否是目标间隔回波信号。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种测距方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种测距方法中S100的详细流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种测距方法中S300的详细流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种测距系统的结构示意图；

图1-图4符号表示：

1-晶振，2-鉴相器，3-环路滤波器，4-VCO(压控振荡器)，5-分频器，6-第一带通滤波器，7-功率放大器，8-发射天线，9-接收天线，10-低噪声放大器，11-第二带通滤波器，12-混频器，13-低通滤波器，14-A/D转换电路，15-FPGA处理器。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本申请提供的测距方法具体可参考图1所示的流程，包括：

S100：产生射频信号和本振信号，并发射所述射频信号；

具体优选地，采用雷达发射射频信号，更优选采用脉冲雷达发射射频信号，使用简单易得的线性调频信号(LFM信号)，同时也更容易提高带宽B，LFM信号可以发射大带宽，并且经脉冲压缩后可以得到窄带信号，更易满足高分辨率的要求。雷达发射的信号可以是离散波信号或连续波信号，更优选采用离散波信号中的脉冲信号，具体可优选采用LFM信号，还可以是其他脉冲信号。

S100步骤中具体可包括：

对所述射频信号进行耦合处理，得到本振信号。

在具体到产生LFM信号，即电磁波信号中的一种时，如图2所示，具体包括：

S101：产生参考信号和分频信号，比较所述参考信号和分频信号的相位，根据相位差产生准DC控制信号。

具体地，使用晶振和锁相环(PLL)结构产生宽带线性调频信号，即使用晶振产生参考信号，分频器产生分频信号，鉴相器比较参考信号和分频信号的相位，并根据相位差产生准DC控制信号。

S102：对所述准DC控制信号进行滤波，输出电压控制信号。

S103：将所述电压控制信号转换为调频信号，产生宽带LFM信号。

具体地，通过环路滤波器对准DC控制信号进行滤波，输出电压控制信号，电压控制信号输出至VCO(电压频率转换器)，VCO调节电压控制信号的频率，输出稳定带宽的LFM信号。

在S100中产生射频信号和本振信号，并发射所述射频信号，具体地可包括产生宽带LFM信号后，通过带通滤波器对LFM信号进行滤波，滤除带外杂波，优选使得信号带宽能够满足公式(2)，从而提高测距精度。

距离门宽度ΔR表示一定时间间隔Δt内射频信号所走的距离，另外，现有硬件结构中，距离门宽度ΔR本身是射频信号在一定间隔时间内所走的距离，带宽B是指信号的频带宽度，因此距离门宽度ΔR与带宽B成反比，带宽越大，距离门宽度在同等信号频率，同等间隔时间下所走的实际距离越小。例如在实际测算中可以取通过控制LFM信号带宽B的大小，使距离门宽度ΔR与波长λ成线性关系，即ΔR＝kλ，满足:

当信号带宽B与载波频率f_c成整倍数关系时，可以通过目标间隔回波信号的个数即距离门个数n_R得到相位模糊度n。特别的，当ΔR＝λ时，距离门个数n_R就等于相位模糊度n。相比解算相位模糊度n，获得距离门个数n_R由计数模块中的计数装置计数得到，相对简单。

进一步地，对LFM信号进行滤波，滤除带外杂波后，将滤波后的LFM信号传输至功率放大器，因输出功率决定了雷达作用距离，因此需功率放大器对LFM信号的功率进行放大，输出射频信号，扩大雷达的作用距离。

功率放大器输出的射频信号经耦合处理后得到本振信号，同时功率放大器输出的射频信号经由发射天线发射出去。

S200：射频信号发射后每隔一定的间隔时间Δt接收若干次的间隔回波信号，并将所述本振信号与间隔回波信号进行混频，输出间隔中频信号；在间隔时间Δt内射频信号所走的距离是距离门宽度ΔR；

具体优选地，在采用LFM信号作为射频信号时，发射天线将射频信号发射出去，接收天线接收射频信号的间隔回波信号，间隔回波信号和本振信号均传输至混频器，混频器接收间隔回波信号和本振信号，经过混频产生输入的和、差频及其谐波，对间隔回波信号和本振信号进行去斜处理，完成脉冲压缩，输出间隔中频信号。

去斜处理是指通过混频得到频率差。调频信号的频率时间图是近似斜线的，混频后去掉了载波，得到的频差是一个固定值，在频谱上是直线，所以叫去斜处理，也叫去调频。采用去斜处理不影响分辨率，在脉冲压缩后降低了信号带宽，降低了采样速率和系统数据量，从而减小了软硬件实现难度。

设线性调频信号为：

s(t)＝exp(j2πf_ct+jπγt²) (3)

在距离R处的回波信号为发射信号的纯时延：

与发射信号混频，去调频得到中频信号：

进一步地，获得中频信号后，对中频信号进行滤波处理，滤除中频信号的带外杂波，避免杂波对信号的影响，保证中频信号的准确性。

本申请方法中，相对于现有的时延测距中接收完整回波信号后测算时延，或者现有相位测距中利用完整回波信号的相位模糊度n，本申请采用对完整回波信号每隔一定的间隔时间Δt进行信号接收，从原理上来讲，本申请的方法通过对射频信号回波的间隔接收，接收次数以及间隔时间内所走的距离，两者的乘积值可以替换相位模糊度和波长的乘积值，从而完成本申请的方案。

S300：将所述间隔中频信号转换为间隔数字信号，对所述间隔数字信号进行处理，获得处理后的间隔数字信号的幅度和观测相位

具体地，通过A/D转换电路进行采样、保持和量化，将滤波后的间隔中频信号转换为间隔数字信号，这样在数字电路中可以高效处理数据。对采样后的间隔数字信号进行FFT(快速傅里叶变换)处理。FFT处理具体为：

对式(5)进行快速傅里叶变换,得到：

傅里叶变换得到的S_if(jω)进行频谱分析，只考虑中频信号中的低频部分，如图3所示，获得处理后的数字信号的幅度和观测相位的具体方法如下：

S301：对所述间隔数字信号进行FFT处理得到频谱信号，得到的频谱信号包括I路和Q路。

S302：通过绝对值函数对所述I路和Q路信号求解极大值，获得频谱信号的幅度。

S303：通过反正切函数对所述I路和Q路信号求解角度，获得频谱信号的观测相位

具体地，如式(6)，对采样后的间隔中频信号进行FFT处理，FFT得到的频谱信号是复制数信号，包括I路和Q路，幅度和观测相位均有I路和Q路两路信号共同决定，对I路和Q路信号求绝对值，获得FFT处理后的数字信号的幅度，对I路和Q路求反正切，获得FFT处理后的数字信号的观测相位

S400：判断处理后的间隔数字信号的幅度是否超过门限值，若超过则判定接收到的间隔回波信号为目标间隔回波信号，对接收到的所述目标间隔回波信号的个数进行计数，记为距离门个数n_R；

具体地，脉冲雷达连续发射电磁波，接收天线接收到的信号可能收到干扰目标的回波信号，为去除干扰信号，需要对其进行判定。因脉冲雷达发射出的射频信号返回时，受到环境的影响，信号的幅度会降低，设定一个门限值，将FFT处理后的数字信号的幅度与门限值进行对比，若幅度超过门限值，则说明回波信号为目标回波信号，当出现目标回波信号时，通过计数装置对接收到的目标回波信号的个数进行计数。

S500：以获得的观测相位距离门宽度ΔR和距离门个数n_R计算得到目标距离R。

具体优选地，在脉冲雷达体制中，发射天线发出一个脉冲后，接收天线每隔一定时间间隔Δt接收间隔回波信号，接收到间隔回波信号后根据门限值判断是否是目标间隔回波信号，当出现目标间隔回波信号时，同样按照时间间隔Δt接收目标间隔回波信号，计数装置对其进行计数，待目标间隔回波信号接收完毕后，期间接收到的目标间隔回波信号的个数为距离门个数n_R，而时间间隔Δt内发射的射频信号所走的距离是距离门宽度ΔR，Δt可以由内部电路准确控制，由此实现了幅度和相位两种测量方式的关联。

当脉冲雷达发射的电磁波波长与带宽满足式(2)时，相位模糊度是距离门个数的整数倍，通过距离门与相位模糊度测量距离的剩余量是相同的，更优选当发射射频信号的中止或终止时间为接收到首次目标间隔回波信号的时间时，由此得到目标距离公式为：

其中：λ—电磁波波长；

—观测相位；

ΔR—距离门宽度；

n_R—距离门个数。

在本申请中，可以优选采用发射射频信号的中止或终止时间为接收到首次目标间隔回波信号的时间，即获得的观测相位距离门宽度ΔR和距离门个数n_R后，根据公式计算得到目标距离R；当发射射频信号的中止或终止时间为接收到首次目标间隔回波信号的时间时，意味着发射出去的射频信号在遇到目标物后返回被接收并判定为目标间隔回波信号这段时间内，发射出去的射频信号会走过正好一组往返目标距离R,同样也意味着能够接收到的目标间隔回波信号的数量n_R是往返目标距离R中包含的以间隔时间Δt内射频信号走过的完整距离门宽度ΔR的数量。因此，这种情况下可以采用公式进行计算目标距离R。

采用上述测距方法可以避开通过使用时延或相位模糊度算法获得目标距离R，同时在波长足够短的情况下，每弧度或每度对应的距离测量误差较小，可以达到亚毫米，即低于1毫米，例如0.1毫米、0.5毫米、0.3毫米等的测距精度，假设载波频率8.0GHz，波长37.5mm，带宽4.0GHz，距离门宽度37.5mm，每弧度对应距离为5.97mm，每度对应距离为0.104mm，理论上可达到亚毫米，即低于1毫米，例如0.1毫米、0.5毫米、0.3毫米等的测距精度。

本发明实施例提供的测距方法通过硬件系统产生宽带LFM信号，对LFM信号进行滤波和功率放大处理，得到射频信号，将射频信号发射出去，接收间隔回波信号，将射频信号耦合得到的本振信号和间隔回波信号进行混频去斜处理，得到间隔中频信号，对间隔中频信号进行采样，将间隔中频信号转换为间隔数字信号，方便信号在数字电路中的后续处理，在数字电路中，将间隔数字信号进行FFT处理，获得处理后的间隔数字信号的幅度和观测相位，通过FFT处理后的间隔数字信号的幅度与门限值的对比，判别接收到的信号是否为目标间隔回波信号，当出现目标间隔回波信号时，计数装置对其进行计数，接收到的目标间隔回波信号的个数即为距离门个数n_R，时间间隔Δt内射频信号走过的距离是距离门宽度ΔR，则根据观测相位距离门宽度ΔR和距离门个数n_R计算得到目标距离R。本发明提供的测距方法改进了相位测距方法，通过波长和带宽的关系，实现了幅相测量的关联，简化运算方法，通过控制带宽的大小，使距离门宽度与波长成线性关系，满足相位模糊度是距离门个数的整数倍，避免解算相位模糊度，减小软硬件实现难度；且在波长足够短的情况下，每弧度或每度对应的距离的测量误差较小，可以达到亚毫米的测距精度；同时采用混频去斜处理，完成脉冲压缩，降低中频信号频率，减小了数据量，提高了硬件可行性。

基于本发明实施例提供的测距方法，本发明实施例还提供了一种测距系统。

所述系统包括射频模块、本振模块、发射模块、接收模块、计数模块和处理模块；

更为具体的，如图4所示，本发明实施例提供的测距系统包括信号源发生器、第一带通滤波器6、功率放大器7、发射天线8、接收天线9、混频器12、低通滤波器13、A/D转换电路14和FPGA处理器15，其中:

信号源发生器用于发射稳定带宽的LFM信号，且信号源发生器的输出端连接第一带通滤波器6的输入端。信号源发生器包括晶振1和锁相环(PLL)结构，锁相环结构主要包括鉴相器2，环路滤波器3、VCO(电压频率转换器)4和分频器5。晶振1的作用是产生参考信号，因为是系统的第一级，其频率稳定性和相位噪声对信号源质量影响很大，因此要尽量选择相噪声低的晶振。

晶振1和分频器5的输出端分别连接鉴相器2的输入端，鉴相器2的作用是比较参考信号和分频信号的相位，根据相位差产生准DC控制信号，为提高频谱纯度，要选择带内相噪较低的鉴相器。

鉴相器2的输出端连接环路滤波器3的输入端，环路滤波器3的作用是对鉴相器2输出的准DC控制信号进行滤波，滤除杂波，保证信号的频谱纯度。

环路滤波器3的输出端连接VCO(压控振荡器)4的输入端，VCO是压控振荡器，调节环路滤波器3输出的电压控制信号的频率，改变信号带宽，输出稳定带宽的LFM信号。

VCO(压控振荡器)4的输出端分别连接第一带通滤波器6和分频器5的输入端，分频器5对VCO输出的LFM信号进行分频得到分频信号，降低信号频率以便后续处理，同时可以提高系统输出频率。

第一带通滤波器6用于对LFM信号进行滤波，滤除LFM信号的带外杂波。为使得信号的波长和带宽满足式(2)的要求，第一带通滤波器可采用LC滤波器，高频段可采用微带滤波器。选择滤波器时，为保证测距精度，除要求通带带宽外，还需要良好的矩形系数、带外抑制比、纹波系数等。

第一带通滤波器6的输出端连接功率放大器7的输入端，滤波后的LFM信号传输至功率放大器7，功率放大器7的作用是放大LFM信号功率，扩大雷达的作用距离。由于发射的是宽带LFM信号，选择功率放大器时要使放大器工作在增益线性区，还要考虑功率放大器的匹配输入功率比。

功率放大器7的输出端连接发射天线8的输入端，发射天线8的作用是将功率放大器7输出的射频信号发射出去；为接收回波信号，发射天线8的输出端通信连接接收天线9的输入端，接收天线9用于接收回波信号。发射、接收天线可选择喇叭天线、微带天线等，由于天线增益越大，作用距离越远，方向性系数越好，方位向精度越高，因此实现过程中要根据目标距离、方位分辨率、极化方式等考虑天线设计，宽带天线还需要考察天线频带宽度，综合考虑天线参数的动态范围。发射天线属于发射模块，接收天线属于接收模块，功率放大器属于射频模块，本振是通过射频信号耦合得到的，图上耦合单元用一个×表示，介于图中7和8之间，耦合单元属于本振模块。

接收天线9和功率放大器7的输出端分别连接混频器12的输入端，混频器12的作用是接收间隔回波信号和本振信号，经过混频产生输入的和、差频及其谐波，输出间隔中频信号。宽带信号中要使用大动态范围的混频器，同时保证小的噪声系数和三阶交调。在去斜处理中，间隔回波信号和本振信号的隔离度也很重要。

为保证接收天线9接收的间隔回波信号的纯度，测距系统还包括低噪声放大器10和第二带通滤波器11，接收天线9的输出端连接低噪声放大器10的输入端，低噪声放大器10的作用是放大接收天线收到的微弱回波信号，减小噪声干扰。低噪声放大器要求高灵敏度，放大信号的同时控制噪声系数。

低噪声放大器10的输出端连接第二带通滤波器11的输入端，第二带通滤波器11的作用是滤除放大后的回波信号的杂波，保证间隔回波信号的纯度，提高测量精度。

混频器12的输出端连接低通滤波器13输入端，低通滤波器13的作用是滤除混频器输出的中频信号中的高频信号，降低系统数据量，减小软硬件的实现难度。

低通滤波器13的输出端连接A/D转换电路14的输入端，A/D转换电路14的作用是对滤波后的间隔中频信号进行采样、保持和量化，将滤波后的间隔中频信号转换为间隔数字信号，方便数字电路高效处理数据。A/D转换电路的器件选型要综合考虑采样速率和采样位数，中频信号的频率一般不高，无论用低通采样还是带通采样都需要满足奈奎斯采样定律。

A/D转换电路14的输出端连接FPGA处理器15的输入端，FPGA处理器15用于将数字信号进行FFT处理，计算得到间隔中频信号的幅度和观测相位。FPGA芯片适用于高速、高密度数字电路设计，可以完成大数据量的运算。A/D转换电路和FPGA处理器均属于处理模块。

本发明实施例提供的测距系统包括信号源发生器、第一带通滤波器、功率放大器、本振模块(本振是通过射频信号耦合得到的，图上耦合单元用一个×表示，介于图中7和8之间，耦合单元属于本振模块)、发射天线、接收天线、混频器、低通滤波器、计数模块(在FPGA内编程实现)、A/D转换电路和FPGA处理器，信号源发生器产生LFM信号，LFM信号经由第一带通滤波器滤波后得到宽带LFM信号，宽带LFM信号经由功率放大器放大后输出射频信号，本振模块对射频信号进行预处理，获得本振信号，射频信号经由发射天线发射出去，接收天线接收微小的间隔回波信号，间隔回波信号经过低噪声放大器放大和第二带通滤波器的滤波后得到混频回波信号，射频信号经本振模块耦合后得到本振信号，通过混频器混合混频回波信号和本振信号，输出间隔中频信号，间隔中频信号经过低通滤波器滤波后，经A/D转换电路采样得到间隔数字信号，之后间隔数字信号通过FPGA处理器进行FFT处理，分离出中频信号的频点，获得处理后的数字信号的幅度和观测相位，计数模块对目标间隔回波信号进行计数，输出目标距离信号。本发明提供的测距系统更优选采用混频器的去斜处理结构，降低中频信号的频率，从而使得数据量较小，从而减小了软硬件实现难度。

本发明实施例提供的测距方法和系统在实现过程中，除推导用LFM信号和去斜调频方法外，采用其他有效的脉冲信号体制和多普勒效应测量方法，其他实质相同的数字信号处理方法都在本专利保护范围内。另外，本申请所述的测距方法和系统可以应用于雷达测距中，或其他电磁波测距技术中；并且本申请所述的测距方法和系统可以应用于目标测速、侧向、成像方法等具体更有价值的应用中。系统结构中，在发明说明范围内的结构调整和复合使用，芯片替换，各模块不同的具体实现方案都在专利保护范围内。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims

1.一种测距方法，其特征在于，所述方法包括：

产生射频信号和本振信号，并发射所述射频信号；

2.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于：所述射频信号是离散波信号或连续波信号。

3.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于：所述距离门宽度ΔR与射频信号的波长λ成线性关系，即ΔR＝kλ。

4.根据权利要求3所述的测距方法，其特征在于：所述k是大于或等于1的自然数。

5.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于：发射射频信号的中止或终止时间为接收到首次目标间隔回波信号的时间，即获得的观测相位距离门宽度ΔR和距离门个数n_R后，根据公式计算得到目标距离R；λ是射频信号的波长。

6.一种测速方法，其特征在于：所述测速方法采用权利要求1-5任一所述的测距方法重复地测量目标距离R，根据观测时间和目标移动的距离r，计算得到目标移动速度v。

7.一种测向方法，其特征在于：所述测向方法是基于权利要求1-5任一所述的测距方法。

8.一种成像方法，其特征在于：所述成像方法是基于权利要求1-5任一所述的测距方法。

9.一种基于雷达的测距方法，其特征在于：所述基于雷达的测距方法采用权利要求1-5任一所述的测距方法，所述射频信号的发射源是雷达。

10.一种基于雷达的测距系统，其特征在于，所述系统包括射频模块、本振模块、发射模块、接收模块、计数模块和处理模块；